CN113289494A - 一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置及余热回收方法 - Google Patents

一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置及余热回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置及余热回收方法，包括膜蒸馏组件、料液罐、加热器、进料液侧蠕动泵、热管余热回收器、冷凝器、产水槽、真空泵、渗透液侧蠕动泵；所述膜蒸馏组件内设有滤膜，将膜蒸馏组件分为原料液侧和渗透液侧，滤膜由热侧支撑网格与冷侧支撑网格所支撑；所述料液罐位于加热器内，与进料液侧蠕动泵、膜蒸馏组件、热管余热回收器构成进料液侧循环；所述冷凝器与产水槽、渗透液侧蠕动泵构成渗透液侧循环；所述真空泵与产水槽相连，真空泵使产水槽、冷凝器中形成真空。装置结构简单、占地面积小、使用方便，利用余热回收节约能源，改性膜的使用使得跨膜压差远小于反渗透，处理效率高。

Description

一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置及余热 回收方法
技术领域
本发明涉及膜蒸馏装置领域，尤其是一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置及余热回收方法。
背景技术
膜蒸馏作为新型的膜分离技术，设备简单，出水水质高，同时具备高效节水和节约能源的优点，在洁净水的可持续生产以及能源回收利用领域具备显著的竞争优势，大幅提高了水的可持续生产，这是水-能源关系的一个关键方面。膜蒸馏技术是目前唯一能从溶液中分离出结晶产物的膜分离过程，可处理高浓度溶液，对待处理废水有着极高的耐性。因此，膜蒸馏技术在近零排放(NZLD)水处理领域具有广阔的应用前景，是“21世纪最具前景的污水深度处理和海水淡化工艺之一”，获得了国际水处理研究的关注。
膜通量较低、膜易污染和润湿问题始终限制膜蒸馏技术的发展和应用。近年来，在提高膜蒸馏膜通量和增强膜耐污染/润湿能力两个方面已经有了各自较大的进展，但目前的研究方案还难以将这两者兼顾，这使得当前膜蒸馏膜的综合性能及其应用稳定性需进一步加强。此外，废水零排放涉及到的技术投资高、运行成本高等不利因素是制约相关技术普及推广的难题之一。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置及余热回收方法，对废水在膜蒸馏循环过程中产生的余热进行回收再利用，达到节能环保的目的。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，包括原料液侧循环单元和渗透液侧循环单元；
所述原料液侧循环单元包括膜蒸馏组件、料液罐、加热器、进料液侧蠕动泵以及热管余热回收器；所述料液罐设于加热器内，与进料液侧蠕动泵、膜蒸馏组件、热管余热回收器共同构成原料液侧的热循环；
所述渗透液侧循环单元包括冷凝器、产水槽、真空泵、渗透液侧蠕动泵；所述冷凝器与产水槽以及渗透液侧蠕动泵形成渗透液侧的冷循环；其中所述真空泵与产水槽相连，使产水槽以及冷凝器中形成真空；
所述膜蒸馏组件中设有滤膜；所述滤膜将膜蒸馏组件分为原料液侧和渗透液侧；所述滤膜两侧分别设有热侧支撑网格和冷侧支撑网格；
所述滤膜基于PTFE疏水膜和MXene改性膜制备而成。
更进一步的，所述滤膜基于PTFE疏水膜和MXene改性膜的制备方法如下：以聚四氟乙烯作为基膜，具体的以MXene材料与交联剂以1:1的重量比混合超声，用喷枪喷涂于已在50℃的NaOH溶液中浸泡3h的PTFE疏水膜的一侧。
更进一步的，所述膜蒸馏组件为平板膜组件。
更进一步的，所述膜蒸馏组件还包括设于热侧支撑网格外侧的原料液侧通道板以及设于冷侧支撑网格外侧的渗透液侧支撑板；所述原料液侧通道板、渗透液侧支撑板的结构材料为金属材料或有机高分子材料；所述的金属材料为不锈钢，所述的有机高分子材料为氯化聚氯乙烯。
更进一步的，所述原料液侧通道板上两个侧面分别设有原料液侧进水口与原料液循环水口。
更进一步的，所述渗透液侧支撑板上设有渗透液侧出水口。
更进一步的，所述热管余热回收器位于膜蒸馏组件上的渗透液侧出水口与冷凝器之间，将从膜蒸馏组件中出来的蒸汽热回收。
更进一步的，所述热管余热回收器同时也位于膜蒸馏组件上的原料液循环水口与加热器之间，原料液将热管余热回收器回收的余热吸收。
更进一步的，还包括连接至出水在线系统的渗透液称重装置；具体为电子天平。
本发明还公开了上述基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置的余热回收方法，包括如下步骤：
1)废水首先在膜蒸馏组件(1)的原料液侧的循环，废水中的水分子扩散至滤膜(12)表面的边界层，在边界层与滤膜的界面处发生汽化变成水蒸气；
2)滤膜孔截留废水中的大分子杂质，透过的水蒸气通过膜蒸馏组件上的渗透液侧的循环，流入热管余热回收器；
3)真空泵在料液进入开始阶段进行工作，当产水槽和冷凝器中形成真空环境后即可关闭真空泵，热侧循环和冷侧循环均通过蠕动泵实现。
更进一步的，本发明还包括膜通量的计算方法，基于连接至出水在线系统的渗透液称重装置的基础上每隔10分钟记录一次冷侧出水的渗透液质量数据，通过通量公式可计算膜通量的变化。
有益效果：本发明具有以下优点：
1)滤膜以PTFE疏水膜为基体膜材料，在膜冷侧采用高机械性能的MXene纳米材料进行亲水改性，赋予膜更高的通量、更强的抗污染性能以及更优异的热力学稳定性；
2)延续了膜蒸馏技术设备简单，出水水质高，可利用廉价能源的优点，余热回收再利用减少了冷却水的用量，削减了能耗，提高了处置系统的能量利用率。
3)采用真空膜蒸馏的方式，利用膜的两侧的蒸汽压差，推动汽化的挥发性组分通过疏水膜在透过侧被冷凝液冷凝并被收集，增大了膜通量。
4)膜蒸馏装置结构简单、占地面积小、使用方便，利用余热回收节约能源，操作温度低于传统蒸馏系统，改性膜的使用使得跨膜压差远小于反渗透，在较短的水力停留时间内即可完成废水的深度处理。
附图说明
图1是本发明实施例余热回收膜蒸馏装置结构示意图；
图2是本发明实施例膜蒸馏组件结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，包括原料液侧循环单元和渗透液侧循环单元；
所述原料液侧循环单元包括膜蒸馏组件1、料液罐2、加热器3、进料液侧蠕动泵4以及热管余热回收器5；所述料液罐2设于加热器3内，与进料液侧蠕动泵4、膜蒸馏组件1、热管余热回收器5共同构成原料液侧的热循环；
所述渗透液侧循环单元包括冷凝器6、产水槽7、真空泵8、渗透液侧蠕动泵9；所述冷凝器6与产水槽7以及渗透液侧蠕动泵9形成渗透液侧的冷循环；其中所述真空泵8与产水槽7相连，使产水槽7以及冷凝器8中形成真空；
所述膜蒸馏组件1为平板膜组件，其中部设有滤膜12；所述滤膜12将膜蒸馏组件1分为原料液侧和渗透液侧；所述滤膜12两侧分别设有热侧支撑网格11和冷侧支撑网格13；
所述滤膜12基于PTFE疏水膜和MXene改性膜制备而成，具体制备方法如下：以聚四氟乙烯作为基膜，以MXene材料与交联剂以1:1的重量比混合超声，用喷枪喷涂于已在50℃的NaOH溶液中浸泡3h的PTFE疏水膜的一侧。
所述膜蒸馏组件1还包括设于热侧支撑网格11外侧的原料液侧通道板10以及设于冷侧支撑网格13外侧的渗透液侧支撑板14；所述原料液侧通道板10、渗透液侧支撑板14的结构材料为金属材料或有机高分子材料；所述的金属材料为不锈钢，所述的有机高分子材料为氯化聚氯乙烯。
所述原料液侧通道板10上两个侧面分别设有原料液侧进水口15与原料液循环水口16。所述渗透液侧支撑板14上设有渗透液侧出水口17；所述热管余热回收器5位于膜蒸馏组件1上的渗透液侧出水口17与冷凝器6之间，将从膜蒸馏组件1中出来的蒸汽热回收。所述热管余热回收器5同时也位于膜蒸馏组件1上的原料液循环水口16与加热器3之间，原料液将热管余热回收器5回收的余热吸收。
此外，装置还包括连接至出水在线系统的渗透液称重装置；具体为电子天平。用于计算膜通量的变化。
上述基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置的余热回收方法，具体如下：
将废水装在料液罐2中由加热器3进行恒温水浴加热至70℃，作为热侧溶液被进料液侧蠕动泵4泵入到膜蒸馏组件1中的疏水侧。
废水首先经过原料液侧进水口15到达原料液侧通道板10，废水中的水分子扩散至滤膜12表面的边界层，然后在边界层与滤膜12的界面处发生汽化变成水蒸气。滤膜孔可截留废水中的大分子杂质，透过的水蒸气通过渗透液侧支撑板14上的渗透液侧出水口17，流入热管余热回收器5，在热管余热回收器处水蒸气的余热被热管吸收，随后水蒸气进入冷凝器6，被冷凝成液态水分子。
而未通过滤膜的热料液由原料液侧循环水口16进入热管余热回收器，吸收热管中的热量进行再次加热，使得能量的利用率大幅提升。真空泵8在料液进入开始阶段进行工作，当产水槽7和冷凝器6中形成真空环境后即可关闭真空泵8，热侧循环和冷侧循环均通过蠕动泵实现。冷侧的渗透液由产水槽7进行收集，并通过电子天平称量产水槽的质量增量，即渗透液质量；出水在线监测系统每隔10分钟记录一次渗透液质量数据，通过通量公式可计算膜通量的变化。

Claims (10)

1.一种基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于包括原料液侧循环单元和渗透液侧循环单元；
所述原料液侧循环单元包括膜蒸馏组件(1)、料液罐(2)、加热器(3)、进料液侧蠕动泵(4)以及热管余热回收器(5)；所述料液罐(2)设于加热器(3)内，与进料液侧蠕动泵(4)、膜蒸馏组件(1)、热管余热回收器(5)共同构成原料液侧的热循环；
所述渗透液侧循环单元包括冷凝器(6)、产水槽(7)、真空泵(8)、渗透液侧蠕动泵(9)；所述冷凝器(6)与产水槽(7)以及渗透液侧蠕动泵(9)形成渗透液侧的冷循环；其中所述真空泵(8)与产水槽(7)相连，使产水槽(7)以及冷凝器(8)中形成真空；
所述膜蒸馏组件(1)中设有滤膜(12)；所述滤膜(12)将膜蒸馏组件(1)分为原料液侧和渗透液侧；所述滤膜(12)两侧分别设有热侧支撑网格(11)和冷侧支撑网格(13)；
所述滤膜(12)基于PTFE疏水膜和MXene改性膜制备而成。
2.根据权利要求1所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于：所述滤膜(12)基于PTFE疏水膜和MXene改性膜的制备方法如下：以聚四氟乙烯作为基膜，具体的以MXene材料与交联剂以1:1的重量比混合超声，用喷枪喷涂于已在50℃的NaOH溶液中浸泡3h的PTFE疏水膜的一侧。
3.根据权利要求1所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于：所述膜蒸馏组件(1)为平板膜组件。
4.根据权利要求1所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于：所述膜蒸馏组件(1)还包括设于热侧支撑网格(11)外侧的原料液侧通道板(10)以及设于冷侧支撑网格(13)外侧的渗透液侧支撑板(14)；所述原料液侧通道板(10)、渗透液侧支撑板(14)的结构材料为金属材料或有机高分子材料；所述的金属材料为不锈钢，所述的有机高分子材料为氯化聚氯乙烯。
5.根据权利要求4所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于：所述原料液侧通道板(10)上两个侧面分别设有原料液侧进水口(15)与原料液循环水口(16)。
6.根据权利要求4所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于：所述渗透液侧支撑板(14)上设有渗透液侧出水口(17)。
7.根据权利要求6所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于：所述热管余热回收器(5)位于膜蒸馏组件(1)上的渗透液侧出水口(17)与冷凝器(6)之间，将从膜蒸馏组件(1)中出来的蒸汽热回收。
8.根据权利要求5所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于：所述热管余热回收器(5)同时也位于膜蒸馏组件(1)上的原料液循环水口(16)与加热器(3)之间，原料液将热管余热回收器(5)回收的余热吸收。
9.根据权利要求1所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置，其特征在于，还包括连接至出水在线系统的渗透液称重装置。
10.一种权利要求1所述的基于PTFE/MXene改性膜的余热回收型膜蒸馏装置的余热回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)废水首先在膜蒸馏组件(1)的原料液侧的循环，废水中的水分子扩散至滤膜(12)表面的边界层，在边界层与滤膜(12)的界面处发生汽化变成水蒸气；
2)滤膜孔截留废水中的大分子杂质，透过的水蒸气通过膜蒸馏组件(1)上的渗透液侧的循环，流入热管余热回收器；
3)真空泵(8)在料液进入开始阶段进行工作，当产水槽(7)和冷凝器(6)中形成真空环境后即可关闭真空泵(8)，热侧循环和冷侧循环均通过蠕动泵实现。
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